Линейное уравнение первого порядка решается подстановкой

Решение линейных дифференциальных уравнений первого порядка

Определения и методы решений

Линейное дифференциальное уравнение первого порядка – это уравнение вида
,
где p и q – функции переменной x .

Линейное однородное дифференциальное уравнение первого порядка – это уравнение вида
.

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка – это уравнение вида
.

Член q ( x ) называется неоднородной частью уравнения.

Рассмотрим линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка:
(1) .
Существует три способа решения этого уравнения:

Решение линейного дифференциального уравнения с помощью интегрирующего множителя

Рассмотрим метод решения линейного дифференциального уравнения первого порядка с помощью интегрирующего множителя.
Умножим обе части исходного уравнения (1) на интегрирующий множитель
:
(2)
Далее замечаем, что производная от интеграла равна подынтегральной функции:

По правилу дифференцирования сложной функции:

По правилу дифференцирования произведения:

Подставляем в (2):

Интегрируем:

Умножаем на . Получаем общее решение линейного дифференциального уравнения первого порядка:

Пример решения линейного дифференциального уравнения первого порядка

Разделим обе части исходного уравнения на x :
(i) .
Тогда
;
.
Интегрирующий множитель:

Знак модуля можно опустить, поскольку интегрирующий множитель можно умножать на любую постоянную (в том числе на ± 1 ).
Умножим (i) на x 3 :
.
Выделяем производную.
;
.
Интегрируем, применяя таблицу интегралов:
.
Делим на x 3 :
.

Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 22-07-2012 Изменено: 25-02-2015

Линейные дифференциальные уравнения в высшей математике

Содержание:

Линейные дифференциальные уравнения. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка

В предыдущей лекции мы изучали дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными. Другим часто встречающимся типом являются линейные дифференциальные уравнения.

Определение 1. Дифференциальное уравнение вида

(1)

называется линейным дифференциальным уравнением первого порядка. Если , то линейное дифференциальное уравнение (ЛДФУ) (1) можно представить в виде:

, (2)

где .

(3)

называется линейным однородным уравнением, соответствующим уравнению (2).

Уравнение (2) — это уравнение с разделяющимися переменными. Действительно

.

Интегрируя это уравнение, получим

где — произвольная первообразная для функции , а положительная постоянная. Из последнего уравнения находим общее решение уравнение (3):

,

где — постоянная произвольного знака.

Одним из наиболее удобных методов решения уравнения (2) является метод подстановки .

Применим этот метод к уравнению (2). Получим

Приравняем выражение в квадратных скобках к нулю и найдем одно из решений этого дифференциального уравнения. Тогда линейное дифференциальное уравнение (2) будет сведено к системе двух дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными

Найдя из системы (4) функции и , запишем общее решение уравнения (2) как .

Пример №122

.

Решение:

Данное уравнение — это ЛДФУ первого порядка (2). Применим метод подстановки .

Составим систему (4):

Решим первое уравнение системы:

Так как нам нужно одно ЧР ДФУ, то возьмем = 1. Имеем

Решаем второе уравнение:

Итак, OP Л ДФУ будет таким:

.

Убедимся проверкой в правильности решения:

Линейные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

Рассмотрим линейное дифференциальное уравнение (ЛДФУ) второго порядка с постоянными коэффициентами

(5)

где — некоторые константы.

Уравнению (5) соответствует однородное ЛДФУ:

. (6)

Пусть — ОР неоднородного уравнения (5), — ЧР неоднородного уравнения (5), — ОР однородного уравнения (6). Имеет место следующее утверждение.

Теорема 1. Общее решение неоднородного уравнения (5) есть сумма общего решения соответствующего ему однородного уравнения (6) и частного решения неоднородного уравнения (5):

(7)

Рассмотрим однородное ЛДФУ (6). Имеет место следующий результат.

Теорема 2. Пусть — решения уравнения (6), тогда их линейная комбинация , где — произвольные константы, также является решением уравнения (6).

Ранее мы отмечали, что ОР ДФУ 2-го порядка зависит от двух произвольных констант. Из теоремы 2 следует, что функция

(8)

является решением уравнения (6). Возникает вопрос: может ли формула (8) определять ОР ДФУ (6). Если да, то при каких условиях? Чтобы разобраться в этом, введем несколько понятий, аналогичных сведениям из линейной алгебры.

Определение 2. Функции называются линейно независимыми, если их линейная комбинация обращается в ноль, т.е.

,

только лишь в случае . В противном случае они называются линейно зависимыми.

Определение 3. Систему функций , состоящую из двух линейно независимых решений уравнения (6), будем называть фундаментальным набором решений этого уравнения.

Имеет место следующий факт.

Теорема 3. Пусть — фундаментальный набор решений уравнения (6), тогда ОР этого уравнения задается формулой:

(9)

Фундаментальный набор решений уравнения (6) находят методом Эйлера в виде функций . Получаем . Подставляя выражения для , и в уравнение (6), имеем

.

Так как , то это соотношение эквивалентно уравнению

. (10)

Определение 4. Алгебраическое уравнение (10) называется характеристическим уравнением однородного ЛДФУ (6).

При решении характеристического уравнения могут возникать три случая.

Случай 1. Дискриминант характеристического уравнения (10) больше нуля. Тогда существует два действительных и различных решения и кратности 1. Соответствующие им решения , образуют фундаментальный набор и ОР уравнения (6) имеет вид

.

Пример №123

.

Решение:

Корнями характеристического уравнения

являются числа = 1 и =-2. Следовательно, ОР однородного ЛДФУ имеет вид

.

Проверкой можно убедиться в правильности решения.

Случай 2. Дискриминант = 0. У характеристического уравнения существует единственный действительный корень кратности 2. Ему соответствует решение . Вторым решением из фундаментального набора будет функция .

Таким образом, ОР имеет вид

.

Пример №124

.

Решение:

имеет единственный действительный корень = -3 кратности 2. Поэтому ОР имеет вид

.

Проверкой можно убедиться в правильности решения.

Случай 3. Дискриминант

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Линейные дифференциальные уравнения 1-го порядка
и уравнение Бернулли

Линейным дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение, линейное относительно неизвестной функции и её производной. Оно имеет вид

где и — заданные функции от , непрерывные в той области, в которой требуется проинтегрировать уравнение (1).

Если , то уравнение (1) называется линейным однородным . Оно является уравнением с разделяющимися переменными и имеет общее решение

Общее решение неоднородного уравнения можно найти методом вариации произвольной постоянной , который состоит в том, что решение уравнения (1) ищется в виде

Пример 1. Решить уравнение .

Решение. Применим метод вариации постоянной. Рассмотрим однородное уравнение , соответствующее данному неоднородному уравнению. Это уравнение с разделяющимися переменными. Его общее решение имеет вид .

Общее решение неоднородного уравнения ищем в виде , где — неизвестная функция от . Подставляя, получаем , откуда . Итак, общее решение неоднородного уравнения будет , где — постоянная интегрирования.

Замечание. Может оказаться, что дифференциальное уравнение линейно относительно как функция от . Нормальный вид такого уравнения

Пример 2. Решить уравнение .

Решение. Данное уравнение является линейным, если рассматривать как функцию от :

Применяем метод вариации произвольной постоянной. Сначала решаем соответствующее однородное уравнение

которое является уравнением с разделяющимися переменными. Его общее решение имеет вид .

Общее решение уравнения ищем в виде , где — неизвестная функция от . Подставляя, получаем

Отсюда, интегрируя по частям, будем иметь

Исходное уравнение может быть проинтегрировано также следующим образом. Полагаем

где и — неизвестные функции от , одна из которых, например , может быть выбрана произвольно.

Подставляя в , после преобразования получаем

Определяя из условия , найдем затем из функцию , а следовательно, и решение уравнения . В качестве можно взять любое частое решение уравнения .

Пример 3. Решить задачу Коши: .

Решение. Ищем общее решение уравнения в виде ; имеем . Подставляя выражение для и в исходное уравнение, будем иметь

Функцию находим из условия . Беря любое частное решение последнего уравнения, например , и подставляя его, получаем уравнение , из которого находим функцию . Следовательно, общее решение уравнения будет

Используя начальное условие , получаем для нахождения уравнение , откуда ; так что решением поставленной задачи Коши будет функция .

Пример 4. Известно, что между силой тока и электродвижущей силой в цепи, имеющей сопротивление и самоиндукцию , существует зависимость , где и — постоянные. Если считать функцией времени , то получим линейное неоднородное уравнение для силы тока :

Найти силу тока для случая, когда и .

Решение. Имеем . Общее решение этого уравнения имеем вид . Используя начальное условие (13), получаем из , так что искомое решение будет

Отсюда видно, что при сила тока стремится к постоянному значению .

Пример 5. Дано семейство интегральных кривых линейного неоднородного уравнения .

Показать, что касательные в соответственных точках к кривым , определяемым линейным уравнением, пересекаются в одной точке (рис. 13).

Решение. Рассмотрим касательную к какой-либо кривой в точке .Уравнение касательной в точке имеет вид

По определению, в соответственных точках является постоянным, а переменным. Беря любые две касательные к линиям в соответственных точках, для координат точки их пересечения, получаем

Отсюда видно, что все касательные к кривым в соответственных точках ( фиксировано) пересекаются в одной и той же точке

Исключая в системе аргумент , получаем уравнение геометрического места точек .

Пример 6. Найти решение уравнения , удовлетворяющее условию: ограничено при .

Решение. Общее решение данного уравнения . Любое решение уравнения, получаемое из общего решения при , будет неограниченно, так как при функция ограничена, а . Отсюда следует, что данное уравнение имеет единственное решение , ограниченное при , которое получается из общего решения при .

Уравнение Бернулли

Дифференциальное уравнение Бернулли имеет вид

С помощью замены переменной уравнение Бернулли приводится к линейному уравнению и интегрируется как линейное.

Пример 7. Решить уравнение Бернулли .

Решение. Делим обе части уравнения на :

Делаем замену переменной , откуда . После подстановки последнее уравнение обратится в линейное уравнение

Замечание. Уравнение Бернулли может быть проинтегрировано также методом вариации постоянной, как и линейное уравнение, и с помощью подстановки .

Пример 8. Решить уравнение Бернулли .

Решение. Применим метод вариации произвольной постоянной. Общее решение соответствующего однородного уравнения имеет вид . Общее решение уравнения ищем в виде , где — новая неизвестная функция. Подставляя в исходное уравнение, будем иметь

Для нахождения функции получим уравнение с разделяющимися переменными, из которого, разделяя переменные и интегрируя, найдем

Итак, общее решение исходного уравнения .

Некоторые нелинейные уравнения первого порядка с помощью удачно найденной замены переменных сводятся к линейным уравнениям или к уравнениям Бернулли.

Пример 9. Решить уравнение .

Решение. Запишем данное уравнение в виде .

Деля обе части уравнения на , получаем .

Замена приводит это уравнение к линейному , общее решение которого .

Заменяя его выражением через , получаем общий интеграл данного уравнения .

В некоторых уравнениях искомая функция может находиться под знаком интеграла. В этих случаях иногда удается путем дифференцирования свести данное уравнение к дифференциальному.

Пример 10. Решить уравнение 0″ png;base64,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» style=»vertical-align: middle;» />.

Решение. Дифференцируя обе части этого уравнения по , получаем

Дифференцируя еще раз по , будем иметь линейное однородное уравнение относительно

Разделяя переменные и интегрируя, найдем . Это решение, как легко проверить, удовлетворяет исходному уравнению.